音视频开发之旅（34) - 基于FFmpeg实现简单的视频解码器

一、FFmpeg解码过程流程图和关键的数据结构

FFmpeg解码涉及的知识点比较多，很容易被函数和结构体搞定不知所错，我们先从整体上对解码流程有个认知，画了张图把解码流程图，如下

1.1 解码流程如下

avformat_open_input 打开媒体文件
avformat_find_stream_info 初始化AVFormatContext_
匹配到视频流的index
avcodec_find_decoder 根据视频流信息的codec_id找到对应的解码器_
avcodec_open2 使用给定的AVCodec初始化AVCodecContext_
初始化输出文件、解码AVPacket和AVFrame结构体
av_read_frame 开始一帧一帧读取
avcodec_send_packet
avcodec_receive_frame
格式转换、分别写入YUV文件
Opengl渲染（本篇不涉及，放到后面单独篇学习实践）
释放资源

1.2 关键函数

下面我们来看下解码流程中的关键函数

1. av_register_all 在3.x或者以前的版本在使用ffmpeg的复用/解复用器或者编解码器之前一定要先调用该函数。但是4.x之后ffmpeg修了了内部实现，该函数可以省略不写。

2. avformat_open_input

代码语言：javascript复制

attribute_deprecated int av_open_input_file(AVFormatContext **ic_ptr,constchar *filename,

                       AVInputFormat *fmt,

                       int buf_size,

                       AVFormatParameters *ap);

以输入方式打开一个媒体文件,codecs并没有打开,只读取了文件的头信息.

3. avformat_find_stream_info

代码语言：javascript复制

Read packets of a media file to get stream information

int avformat_find_stream_info(AVFormatContext *ic, AVDictionary **options);

获取多媒体信息

4. avcodec_find_decoder

代码语言：javascript复制

Find a registered decoder with a matching codec ID

AVCodec *avcodec_find_decoder(enum AVCodecID id);

根据codecID找到一个注册过的解码器

5. avcodec_open2

代码语言：javascript复制

Initialize the AVCodecContext to use the given AVCodec

int avcodec_open2(AVCodecContext *avctx, const AVCodec *codec, AVDictionary **options);

使用给定的AVCodec初始化AVCodecContext_

6. av_read_frame

代码语言：javascript复制

Return the next frame of a stream.
@return 0 if OK, < 0 on error or end of file

int av_read_frame(AVFormatContext *s, AVPacket *pkt);

读取一帧数据，读到的是AVPacket

7. avcodec_send_packet

代码语言：javascript复制

Supply raw packet data as input to a decoder.
@return 0 on success, otherwise negative error code

int avcodec_send_packet(AVCodecContext *avctx, const AVPacket *avpkt);

给解码器发送一帧压缩的AVPacket 数据

8. avcodec_receive_frame

代码语言：javascript复制

Return decoded output data from a decoder.
@return 0 on success

int avcodec_receive_frame(AVCodecContext *avctx, AVFrame *frame);

接收解码器解码的一帧AVFrame数据

9. sws_scale

代码语言：javascript复制

int sws_scale(struct SwsContext *c, const uint8_t *const srcSlice[],
              const int srcStride[], int srcSliceY, int srcSliceH,
              uint8_t *const dst[], const int dstStride[]);

解码后YUV格式的视频像素数据保存在AVFrame的data 0-3中。但这些像素并不是连续存储的，每行有效像素之后存储了一些无效像素，经过该函数处理，去掉无效数据。否则会出现花屏。

10. 资源释放相关函数

代码语言：javascript复制

    av_packet_unref(packet);

    sws_freeContext(img_convert_ctx);

    fclose(pYUVFile);

    av_frame_free(&pFrameYUV);
    av_frame_free(&pFrame);
    avcodec_close(pCodecContext);
    avformat_close_input(&avFormatContext);

1.3 关键结构体

关键结构体包括AVFormatContext、AVStream、AVCodecContext、AVCodec、AVCodecParameters、AVPacket、AVFrame等下面4张图片来自雷神

AVFormatCotext和AVInputFormat是和封装格式相关的结构体

AVStream、AVCodecContex、AVCodec是和编解码相关的结构体

AVPacket 与 AVFrame

1.4 补充知识

1. 宏定义define里面的##

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宏定义define里面的##可能不太常见，它的含义就是拼接两个字符串，比如
#define Conn(x,y) x##y

那么 int  n = Conn(123,456);  结果就是n=123456;

2. 文件的打开方式

代码语言：javascript复制

File * fp = fopen(info.txt,"wb ")

fprintf()
或者fwirte

fclose(fp);

关于打开方式的说明如下

代码语言：javascript复制

.  r  以可读写方式打开文件，该文件必须存在。

　　rb  读写打开一个二进制文件，只允许读写数据。

　　rt  读写打开一个文本文件，允许读和写。

　　w 打开只写文件，若文件存在则文件长度清0,若文件不存在则建立该文件。

　　w  打开可读写文件，若文件存在则文件长度清为零，若文件不存在则建立该文件。

　　a 以附加的方式打开只写文件

　　a  以附加方式打开可读写的文件。若文件不存在，则会建立该文件，如果文件存在，写入的数据会被加到文件尾后

　　wb 只写打开或新建一个二进制文件；只允许写数据。

　　wb  读写打开或建立一个二进制文件，允许读和写。

　　wt  读写打开或着建立一个文本文件；允许读写。

　　at  读写打开一个文本文件，允许读或在文本末追加数据。

　　ab  读写打开一个二进制文件，允许读或在文件末追加数据。

3. YUV数据类型

输出解码前的h264码流、输出解码后的YUV信息使用Elecard StreamEye Tools查看输出的h264数据

视频显示的流程，就是将像素数据“画”在屏幕上的过程。例如显示YUV，就是将YUV“画”在系统的窗口中。

代码语言：javascript复制

YUV 4:4:4采样，每一个Y对应一组UV分量。
YUV 4:2:2采样，每两个Y共用一组UV分量。 
YUV 4:2:0采样，每四个Y共用一组UV分量。


 YUV420P，Y，U，V三个分量都是平面格式，分为I420和YV12。I420格式和YV12格式的不同处在U平面和V平面的位置不同。在I420格式中，U平面紧跟在Y平面之后，然后才是V平面（即：YUV）；但YV12则是相反（即：YVU）。
YUV420SP, Y分量平面格式，UV打包格式, 即NV12。 NV12与NV21类似，U 和 V 交错排列,不同在于UV顺序。

I420: YYYYYYYY UU VV    =>YUV420P (最常见的)
YV12: YYYYYYYY VV UU    =>YUV420P
NV12: YYYYYYYY UVUV     =>YUV420SP
NV21: YYYYYYYY VUVU     =>YUV420SP

二、mp4通过FFmpeg解码成YUV裸数据

通过上一小节，我们了解了FFmpeg解码流程和关键的结构体，这一小节我们来实践。

具体步骤说明和代码实现如下：

代码语言：javascript复制

#include <jni.h>
#include <string>


extern "C" {
#include "include/libavcodec/avcodec.h"
#include "include/libavformat/avformat.h"
#include "include/log.h"
#include <libswscale/swscale.h>
#include <libavutil/imgutils.h>

}

extern "C"
JNIEXPORT jint JNICALL
Java_android_spport_mylibrary2_Demo_decodeVideo(JNIEnv *env, jobject thiz, jstring inputPath,
                                                jstring outPath) {
    //申请avFormatContext空间，记得要释放
    AVFormatContext *avFormatContext = avformat_alloc_context();


    const char *url = env->GetStringUTFChars(inputPath, 0);
    //1. 打开媒体文件
    int reuslt = avformat_open_input(&avFormatContext, url, NULL, NULL);
    if (reuslt != 0) {
        LOGE("open input error url=%s, result=%d", url, reuslt);
        return -1;
    }
    //2.读取媒体文件信息，给avFormatContext赋值
    if (avformat_find_stream_info(avFormatContext, NULL) < 0) {
        LOGE("find stream error");
        return -1;
    }

    //3. 匹配到视频流的index
    int videoIndex = -1;
    for (int i = 0; i < avFormatContext->nb_streams; i  ) {
        AVMediaType codecType = avFormatContext->streams[i]->codecpar->codec_type;
        LOGI("avcodec type %d", codecType);
        if (AVMEDIA_TYPE_VIDEO == codecType) {
            videoIndex = i;
            break;
        }
    }
    if (videoIndex == -1) {
        LOGE("not find a video stream");
        return -1;
    }

    AVCodecParameters *pCodecParameters = avFormatContext->streams[videoIndex]->codecpar;

    //4. 根据视频流信息的codec_id找到对应的解码器
    AVCodec *pCodec = avcodec_find_decoder(pCodecParameters->codec_id);

    if (pCodec == NULL) {
        LOGE("Couldn`t find Codec");
        return -1;
    }

    AVCodecContext *pCodecContext = avFormatContext->streams[videoIndex]->codec;

    //5.使用给定的AVCodec初始化AVCodecContext
    int openResult = avcodec_open2(pCodecContext, pCodec, NULL);
    if (openResult < 0) {
        LOGE("avcodec open2 result %d", openResult);
        return -1;
    }

    const char *outPathStr = env->GetStringUTFChars(outPath, NULL);

    //6. 初始化输出文件、解码AVPacket和AVFrame结构体

    //新建一个二进制文件，已存在的文件将内容清空，允许读写
    FILE *pYUVFile = fopen(outPathStr, "wb ");
    if (pYUVFile == NULL) {
        LOGE(" fopen outPut file error");
        return -1;
    }


    auto *packet = (AVPacket *) av_malloc(sizeof(AVPacket));

    //avcodec_receive_frame时作为参数，获取到frame，获取到的frame有些可能是错误的要过滤掉，否则相应帧可能出现绿屏
    AVFrame *pFrame = av_frame_alloc();
    //作为yuv输出的frame承载者，会进行缩放和过滤出错的帧，YUV相应的数据也是从该对象中读取
    AVFrame *pFrameYUV = av_frame_alloc();

    //out_buffer中数据用于渲染的,且格式为YUV420P
    uint8_t *out_buffer = (unsigned char *) av_malloc(
            av_image_get_buffer_size(AV_PIX_FMT_YUV420P, pCodecContext->width,
                                     pCodecContext->height, 1));

    av_image_fill_arrays(pFrameYUV->data, pFrameYUV->linesize, out_buffer,
                         AV_PIX_FMT_YUV420P, pCodecContext->width, pCodecContext->height, 1);

    // 由于解码出来的帧格式不一定是YUV420P的,在渲染之前需要进行格式转换
    struct SwsContext *img_convert_ctx = sws_getContext(pCodecContext->width, pCodecContext->height,
                                                        pCodecContext->pix_fmt,
                                                        pCodecContext->width, pCodecContext->height,
                                                        AV_PIX_FMT_YUV420P,
                                                        SWS_BICUBIC, NULL, NULL, NULL);


    int readPackCount = -1;
    int frame_cnt = 0;
    clock_t startTime = clock();

    //7. 开始一帧一帧读取
    while ((readPackCount = av_read_frame(avFormatContext, packet) >= 0)) {
        LOGI(" read fame count is %d", readPackCount);

        if (packet->stream_index == videoIndex) {
            //8. send AVPacket
            int sendPacket = avcodec_send_packet(pCodecContext, packet);
            //return 0 on success, otherwise negative error code:
            if (sendPacket != 0) {
                LOGE("avodec send packet error %d", sendPacket);
                continue;
            }
            //9. receive frame
            // 0:  success, a frame was returned
            int receiveFrame = avcodec_receive_frame(pCodecContext, pFrame);

            if (receiveFrame != 0) {
                //如果接收到的fame不等于0，忽略这次receiver否则会出现绿屏帧
                LOGE("avcodec_receive_frame error %d", receiveFrame);
                continue;
            }
            //10. 格式转换
            sws_scale(img_convert_ctx, (const uint8_t *const *) pFrame->data, pFrame->linesize,
                      0, pCodecContext->height,
                      pFrameYUV->data, pFrameYUV->linesize);

            //11. 分别写入YUV数据
            int y_size = pCodecParameters->width * pCodecParameters->height;
            //YUV420p
            fwrite(pFrameYUV->data[0], 1, y_size, pYUVFile);//Y
            fwrite(pFrameYUV->data[1], 1, y_size / 4, pYUVFile);//U
            fwrite(pFrameYUV->data[2], 1, y_size / 4, pYUVFile);//V

            //输出I、P、B帧信息
            char pictypeStr[10] = {0};
            switch (pFrame->pict_type) {
                case AV_PICTURE_TYPE_I: {
                    sprintf(pictypeStr, "I");
                    break;
                }
                case AV_PICTURE_TYPE_P: {
                    sprintf(pictypeStr, "P");
                    break;
                }
                case AV_PICTURE_TYPE_B: {
                    sprintf(pictypeStr, "B");
                    break;
                }
            }
            LOGI("Frame index ]. Tpye %s", frame_cnt, pictypeStr);
            frame_cnt  ;
        }
    }

    LOGI("frame count is %d", frame_cnt);
    clock_t endTime = clock();

    //long类型用%ld输出
    LOGI("decode video use Time %ld", (endTime - startTime));


    //12.释放相关资源

    //释放packet
    av_packet_unref(packet);

    sws_freeContext(img_convert_ctx);

    fclose(pYUVFile);

    av_frame_free(&pFrameYUV);
    av_frame_free(&pFrame);
    avcodec_close(pCodecContext);
    avformat_close_input(&avFormatContext);
    return 0;

}
}

解码后的数据使用ffplayer进行播放。注意参数设置, 比如格式和分辨率等

代码语言：javascript复制

eg：
ffplay /Users/yabin/Desktop/tmp/ffmpeg/output8.yuv -pix_fmt yuv420p -s 784x480

代码已上传至 github https://github.com/ayyb1988/ffmpegvideodecodedemo

三、遇到的问题

avformat_open_input -13

原因：没有读写权限导致，－13是权限相关的错误，

代码语言：javascript复制

在AndroidManifest.xml中加入以下权限
然后在代码上添加动态权限检查

生成的yuv导出来后用ffplay或者yuvplayer播放出现花屏

代码语言：javascript复制

    Stream #0:0(und): Video: h264 (High) (avc1 / 0x31637661), yuv420p, 784x480, 338 kb/s, 25 fps, 25 tbr, 16k tbn, 50 tbc (default)

ffplay /Users/yabin/Desktop/tmp/ffmpeg/output.yuv -pix_fmt yuv420p -s 784x480

原因：没有对YUV数据设置格式和分辨率等信息

代码语言：javascript复制

    uint8_t *out_buffer = (unsigned char *) av_malloc(
            av_image_get_buffer_size(AV_PIX_FMT_YUV420P, pCodecContext->width,
                                     pCodecContext->height, 1));

    av_image_fill_arrays(pFrameYUV->data, pFrameYUV->linesize, out_buffer,
                         AV_PIX_FMT_YUV420P, pCodecContext->width, pCodecContext->height, 1);


    struct SwsContext *img_convert_ctx = sws_getContext(pCodecContext->width, pCodecContext->height,
                                                        pCodecContext->pix_fmt,
                                                        pCodecContext->width, pCodecContext->height,
                                                        AV_PIX_FMT_YUV420P,
                                                        SWS_BICUBIC, NULL, NULL, NULL);

...

    sws_scale(img_convert_ctx, (const uint8_t *const *) pFrame->data, pFrame->linesize,
                      0, pCodecContext->height,
                      pFrameYUV->data, pFrameYUV->linesize);

第一帧出现绿屏原因：如果接收到的fame不等于0，要忽略这次receiver否则会出现绿屏帧

代码语言：javascript复制

 int sendPacket = avcodec_send_packet(pCodecContext, packet);
            //return 0 on success, otherwise negative error code:
            if (sendPacket != 0) {
                LOGE("avodec send packet error %d", sendPacket);
                continue;
            }
            // 0:  success, a frame was returned
            int receiveFrame = avcodec_receive_frame(pCodecContext, pFrame);

            if (receiveFrame != 0) {
                //如果接收到的fame不等于0，忽略这次receiver否则会出现绿屏帧
                LOGE("avcodec_receive_frame error %d", receiveFrame);
                continue;
            }

四、资料

《音视频开发进阶》
FFMPEG中最关键的结构体之间的关系
ffmpeg函数介绍
100行代码实现最简单的基于FFMPEG SDL的视频播放器（SDL1.x）
最简单的基于FFmpeg的移动端例子：Android 视频解码器-单个库版
图文详解YUV420数据格式
ffmpeg flv转MP4 一点心得
FFmpeg编解码处理1-转码全流程简介
FFmpeg源代码简单分析：常见结构体的初始化和销毁（AVFormatContext，AVFrame等）

测试视频来自：FFmpeg编解码处理1-转码全流程简介下载测试文件(右键另存为)：tnmil2.flv

五、收获

了解ffmpeg解码流程
了解ffmpeg关键的结构以及之间的关系
解码mp4为视频裸数据YUV
花屏、录屏问题分析解决

与Mediacodec解码对比、YUV渲染播放等内容，我们后续章节来学习实践。

感谢你的阅读

下一篇我们学习实践使用FFmpeg解码音频，欢迎关注公众号“音视频开发之旅”，一起学习成长。

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视频处理 python 数据结构编程算法

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音视频开发之旅（34) - 基于FFmpeg实现简单的视频解码器

目录

一、FFmpeg解码过程流程图和关键的数据结构

1.1 解码流程如下

1.2 关键函数

1.3 关键结构体

1.4 补充知识

二、mp4通过FFmpeg解码成YUV裸数据

三、遇到的问题

四、 资料

五、收获

四、资料